David S. Goodsell / The Scripps Research Institute

“Aglomeração de proteínas” (a azul). Ilustração do interior denso e do invólucro celular da Escherichia coli.

Uma bactéria usa duas transcriptases reversas para produzir as duas cadeias de ADN por caminhos diferentes, uma a partir de ARN e outra a partir de uma proteína. É um pouco como usar um bolo como molde para escrever uma receita, em vez de usar uma receita para fazer um bolo.

As células usam normalmente as cadeias do seu ADN como molde para copiar o próprio ADN e para produzir ARN. O ARN mensageiro fornece, por sua vez, as instruções para produzir proteínas.

Mas uma bactéria revelou agora um caminho diferente, que envolve duas enzimas. E é profundamente surpreendente.

A descoberta foi apresentada num artigo recentemente publicado na revista Cell.

Numa das metades deste sistema, uma enzima funciona como molde molecular para construir uma sequência específica e repetitiva de ADN. Na prática, permite que informação escrita em aminoácidos determine informação escrita em ADN.

E isso acontece ao contrário do habitual, um pouco como usar um bolo como molde para escrever uma receita, em vez de usar uma receita para fazer um bolo.

“Em vez de copiar uma cadeia de ADN para produzir a outra, como acontece na replicação normal do ADN, o sistema usa duas transcriptases reversas diferentes para gerar de forma independente as duas cadeias complementares”, explicou ao Science Alert o bioquímico Samuel Sternberg, investigador da Columbia University e corresponding author do estudo.

“Uma enzima copia um molde de ARN, enquanto a outra usa aminoácidos da própria proteína para determinar que componentes do ADN são acrescentados. As duas cadeias de ADN resultantes encontram-se depois e emparelham-se, produzindo ADN de cadeia dupla, que acaba por ajudar a bactéria a defender-se dos vírus”.

National Human Genome Research Institute

A estrutura do ADN, mostrando como as suas duas cadeias estão unidas por pares de bases complementares: A com T e C com G

O ADN é, basicamente, o sistema de armazenamento de informação da vida. A sua famosa estrutura de dupla hélice é constituída por duas cadeias formadas a partir de quatro bases químicas: adenina (A), citosina (C), guanina (G) e timina (T). Estes quatro componentes formam o material genético de todos os seres vivos.

Mas não podem ser simplesmente misturados ao acaso. Emparelham de acordo com regras específicas: A com T e C com G. Isto significa que a sequência de qualquer uma das cadeias contém a informação necessária para construir a outra.

Quando uma célula replica ADN, separa as duas cadeias como se abrisse um fecho-éclair. Cada cadeia isolada passa então a servir de molde para construir a nova cadeia que se enrola à sua volta. Uma cadeia com a sequência A-G-C-T, por exemplo, terá necessariamente como correspondente T-C-G-A.

Em alguns casos, enzimas chamadas transcriptases reversas conseguem produzir ADN usando ARN como molde. É um truque usado, por exemplo, pelos retrovírus. Mas, de uma forma ou de outra, há sempre um ácido nucleico envolvido no processo.

É aqui que as bactérias agora descobertas começam a ficar um pouco estranhas, descobriram Sternberg e os colegas.

Sabe-se que estes organismos usam um sistema chamado “transcriptases reversas associadas à defesa” (DRT) como parte da sua resposta imunitária contra vírus. Mas não se sabia ao certo como funcionava.

NIAID

Bactérias E.coli vistas ao microscópio electrónico

Sternberg e os colegas estudaram um desses sistemas, chamado DRT3, em Escherichia coli, recorrendo a várias experiências para perceber o que faziam as suas duas transcriptases reversas.

Quando examinaram a estrutura de uma dessas enzimas, a DRT3b, através de microscopia crioeletrónica, encontraram algo que não esperavam.

“Sabíamos, pelas nossas experiências, que a DRT3b conseguia produzir esta sequência repetitiva de ADN muito específica sem o ARN de que a outra transcriptase reversa necessita. Mas não sabíamos como é que o fazia”, disse Sternberg.

“O verdadeiro momento ‘eureka’ surgiu com as experiências bioquímicas e com a estrutura obtida por crio-EM.

Hiroshi Nishimasu, também corresponding author do estudo, e a sua equipa conseguiram ver o produto de ADN dentro da enzima, e a estrutura colocou estes dois aminoácidos exatamente nas posições necessárias para explicar a sequência alternada”.

“Isso sugeriu imediatamente uma possibilidade bastante extraordinária: a própria proteína estava a determinar a sequência“, diz o investigador da Universidade de Tóquio.

Só a estrutura, porém, não bastava para o provar. Os investigadores alteraram então os dois aminoácidos que suspeitavam serem responsáveis por determinar a sequência.

Quando o fizeram, tanto a síntese de ADN como a defesa antiviral da bactéria deixaram de funcionar. Ficou assim confirmado que os aminoácidos eram essenciais para o processo.

Mais surpreendente ainda, a DRT3b fazia tudo isto sem qualquer molde de ácido nucleico. Em vez disso, os dois aminoácidos posicionados junto do centro ativo da enzima funcionavam, na prática, como o próprio molde: um favorecia a incorporação de A e o outro de C.

Wang et al. / Cell

A sequência repetitiva de ADN produzida pela DRT3b, revelada por microscopia crioelectrónica. A enzima utiliza aminoácidos da própria proteína para determinar a sequência alternada C-A-C-A

O resultado é uma cadeia de ADN extraordinariamente simples, constituída pela sequência repetitiva C-A-C-A-C-A.

“Portanto, num sentido muito literal, a informação presente na sequência de aminoácidos da proteína está a ser traduzida numa sequência de ADN”, explicou Sternberg. “É um fluxo de informação biológica muito diferente daquele em que normalmente pensamos”.

Mas isso é apenas metade do que o DRT3 faz.

A cadeia de ADN produzida pela DRT3b a partir de um molde proteico é apenas uma das duas cadeias criadas pelo sistema. Uma segunda transcriptase reversa, a DRT3a, constrói de forma independente outra cadeia repetitiva de ADN. Desta vez, porém, fá-lo de maneira mais convencional, usando ARN como molde.

As duas cadeias são complementares. Depois de produzidas, encontram-se espontaneamente e emparelham-se, formando a conhecida dupla hélice do ADN de cadeia dupla.

Também isto acontece ao contrário do processo habitual. Normalmente, as duas cadeias de ADN não são produzidas de forma independente: uma cadeia existente serve de molde para a nova cadeia complementar.

Aqui, nenhuma das novas cadeias fornece as instruções para produzir a outra. Uma recebe a informação da sua sequência a partir de ARN, a outra de uma proteína. Só depois se juntam.

“Outro aspeto do estudo que considero especialmente fascinante é o facto de desafiar a forma habitual como imaginamos a produção de ADN de cadeia dupla”, disse Sternberg.

“Normalmente, pensamos numa cadeia como aquela que transporta a informação necessária para produzir a outra. Aqui, as duas cadeias são sintetizadas de forma independente, recorrendo a dois tipos de molde completamente diferentes, ARN para uma e proteína para a outra, e só depois se juntam para formar uma dupla hélice”.

“Para mim, é um exemplo bastante extraordinário da forma inventiva como a evolução consegue trabalhar com componentes moleculares muito familiares”.

Wang et al. / Cell

O sistema de defesa DRT3 em ação

Mas o DRT3 não executa este elaborado truque molecular apenas para se exibir. É um sistema de defesa, e o estranho ADN parece funcionar como uma espécie de armadilha para vírus invasores.

Em condições normais, uma enzima chamada RecBCD destrói continuamente o ADN produzido pelo DRT3, impedindo que se acumule. A própria RecBCD faz parte das defesas da bactéria e ajuda a destruir ADN viral invasor. Alguns vírus, como parte do seu arsenal de ataque, produzem proteínas que desativam a RecBCD.

“O vírus tenta desativar a RecBCD porque a RecBCD é, por si só, uma importante defesa antiviral”, explicou Sternberg. “Mas, ao desativá-la, o vírus retira inadvertidamente o travão ao DRT3”.

À medida que o ADN produzido pelo DRT3 se acumula, a bactéria deixa de crescer. Isso impede, por sua vez, que o vírus se replique de forma eficiente. A célula bacteriana é sacrificada para impedir que o vírus se espalhe pela população circundante.

“Suspeito que isto seja apenas a ponta do icebergue”, disse Sternberg.

“Duvido que a DRT3b seja a única enzima capaz deste tipo de síntese de ADN pouco convencional. Ainda não sabemos se existem muitas outras proteínas que usam exatamente este mecanismo baseado num molde de aminoácidos, mas ficaria surpreendido se a natureza o tivesse inventado apenas uma vez”, conclui.